(57)【要約】      （修正有）【課題】低温での効率を高くした空気冷媒冷凍装置の提供。【解決手段】冷凍空間を形成する室3と、冷凍空間を形成する室の空気を吸引して断熱圧縮する圧縮機4と、圧縮空気を冷却する圧縮空気冷却器14と、冷却圧縮空気を断熱膨張する膨張機5を有し、冷凍空間を形成する室の空気を吸引して断熱圧縮し、断熱膨張することで得られる低温空気を冷凍空間を形成する室内に供給して冷凍空間を形成する空気冷媒冷凍装置において、除湿・冷熱放出経路9と冷熱吸収経路8とが伝熱面を介して伝熱可能に設けられた除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器1を備え、室内より吸引した空気を熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路を通過させて除湿・冷熱放出した後圧縮機に導入し断熱圧縮し、圧縮空気を圧縮空気冷却器で冷却後、熱交換・除湿器の冷熱吸収経路を通過させて冷熱を回収し膨張機で断熱膨張させ、得られた低温空気を前記室内に供給する空気冷媒冷凍装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍空間を形成すべき室と、該冷凍空間を形成すべき室の空気を吸引して断熱圧縮する圧縮機と、圧縮空気を冷却する圧縮空気冷却器と、冷却圧縮空気を断熱膨張する膨張機とを有し、前記冷凍空間を形成すべき室の空気を吸引して断熱圧縮し、断熱膨張することにより得られる低温空気を前記冷凍空間を形成すべき室内に供給して冷凍空間を形成する空気冷媒冷凍装置において、除湿・冷熱放出経路と冷熱吸収経路とが伝熱面を介して伝熱可能なように設けられた除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器を更に備え、前記室内より吸引した空気を該熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路を通過させて除湿・冷熱放出した後、前記圧縮機に導入し、断熱圧縮し、該圧縮空気を前記圧縮空気冷却器にて冷却後、前記熱交換・除湿器の冷熱吸収経路を通過させて冷熱を回収し、前記膨張機で断熱膨張させ、得られた低温空気を前記室内に供給することを特徴とする空気冷媒冷凍装置。
【請求項２】
前記熱交換・除湿器は更に前記除湿・冷熱放出経路と伝熱面を介して伝熱可能な除湿器再生用加熱経路を備え、前記圧縮機吐出後の高温空気をバイパスさせて、該除湿器再生用加熱経路に導入し、前記除湿・冷熱放出経路を加熱することにより前記熱交換・除湿器を再生することを特徴とする請求項１記載の空気冷媒冷凍装置。
【請求項３】
前記熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路内に除湿剤として高吸放湿性高分子化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の空気冷媒冷凍装置。
【請求項４】
前記熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路内の伝熱面が前記高吸放湿性高分子化合物で被覆されていることを特徴とする請求項３記載の空気冷媒冷凍装置。  
【請求項５】
前記高吸放湿性高分子化合物が分子中にカルボキシル基を含み、吸湿水の除去に要する再生温度が６０〜１００℃の範囲にあることを特徴とする請求項３記載の空気冷媒冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を直接断熱圧縮後断熱膨張して、冷凍空間を冷却する空気冷媒冷凍装置に関する。詳しくは、低温での効率を高くした空気冷媒冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保全の見地から、フロン系の冷媒を用いた冷凍装置には益々限界が見えてきている。また、安全性の面からは、アンモニア系の冷媒を用いた冷凍装置にも、問題が残る。その点空気を直接断熱圧縮後断熱膨張して、冷凍空間を冷却する空気冷媒冷凍装置では前記問題は皆無であり、作今注目を集めている。
更に、冷媒の流通する熱交換器で間接的に、冷却空間を冷却する前者に比べ、空気冷媒冷凍装置では、空気を直接断熱膨張により冷却するので、前記熱交換器が不要で、同時に熱交換器性能維持のためのデフロスト操作が不要なので、その分のエネルギロスがなくなる。
しかし、圧縮・膨張操作で液／ガスの相変化を伴う前者の冷媒に比べ、潜熱利用のできない、空気冷媒冷凍装置では従来の利用頻度の多い温度域では、前者に比べて効率（ＣＯＰ：成績係数）が低い。また装置が大型になるなどの難点があった。
【０００３】
一方、食品産業市場では、冷凍食品が高度に普及し、加えて高品質で安全性の高い食品を求める方向へ志向しており、−６０℃以下の温度域での冷凍冷蔵のニーズが高まっている。ところが、空気冷媒冷凍において、従来利用頻度の多い温度域では、フロン系やアンモニア系の冷媒利用の冷凍装置より低効率であったのが、その成績係数（ＣＯＰ）の温度依存性が小さく、装置の構成によっては、−５０℃近辺より逆転し、従来冷凍方式より効率が高くなることが判った。すなわち、極低温域の冷凍冷蔵においては、前記した環境安全問題とともに、空気冷媒冷凍装置が優位に立つ時代が到来することが予測される。
【０００４】
空気冷媒冷凍装置では、前記したように、直接冷却した空気を使用するので、冷媒／空気間熱交換器がなくデフロスト操作が不要とは言うものの、例えば冷凍冷蔵庫内の水分（出入り口からの外気進入、食品自体からの水分の蒸発）をそのまま冷凍システム内に持ち込むことはできない。断熱膨張の際、雪状氷が生成して装置の閉塞などの不具合を引き起こしたり、原理的には、水の凝縮熱及び氷の凝固熱分だけのエネルギロスとなる。従って、空気冷媒冷凍装置を効率化、実用化するには水分の除去手段がひとつの重要な要素となる。
【０００５】
そこで、特許文献１では、空気圧縮機の上流側にシリカゲル等の吸着剤を用いた乾式除湿器を介装している。この場合再生を行うことが必要となるので、二塔式の例が開示されている。また特許文献２では空気源を全熱交換器で除湿した例が開示されている。特許文献３では体積する雪状氷の処理手段が開示されている。
【０００６】
しかし特許文献１では、シリカゲルの本発明の場合で想定しているような低温域における吸湿能力が不足していること、再生温度に高温が必要なこと、再生のために特殊な機構を有する装置としたり、二塔式にしたり装置が複雑大型になることなどの欠点がある。
また特許文献２では除湿が不十分なため、依然として雪状氷の堆積がさけられないことなどの難点がある。
更に特許文献３では、雪状氷の堆積した事後処置のための手段であり、本質的問題解決になっていない。
【０００７】
【特許文献１】特許第２５４６７６５号
【特許文献２】特開２０００−１２１１８５公報
【特許文献３】特開平１１−１３２５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み、低温での効率を高くした空気冷媒冷凍装置の提供を目標として行われた。更に詳しくは、除湿器と冷熱回収熱交換器と除湿器再生手段を一体化したり、除湿器に高吸放湿性高分子化合物を吸湿剤として用いることなどにより、効率と小型化をはかり、コスト低減を追求した空気冷媒冷凍装置の提供を目標として行われた。    
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は、冷凍空間を形成すべき室と、該冷凍空間を形成すべき室の空気を吸引して断熱圧縮する圧縮機と、該圧縮空気を冷却する圧縮空気冷却器と、該冷却圧縮空気を断熱膨張する膨張機とを有し、前記冷凍空間を形成すべき室の空気を吸引して断熱圧縮し、断熱膨張することにより得られる低温空気を前記冷凍空間を形成すべき室内に供給して冷凍空間を形成する空気冷媒冷凍装置において、除湿・冷熱放出経路と冷熱吸収経路とが伝熱面を介して伝熱可能なように設けられた除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器を更に備え、前記室内より吸引した空気を該熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路を通過させて除湿・冷熱放出した後、前記圧縮機に導入し、断熱圧縮し、該圧縮空気を前記圧縮空気冷却器にて冷却後、前記熱交換・除湿器の冷熱吸収経路を通過させて冷熱を回収し、前記膨張機で断熱膨張させ、得られた低温空気を前記室内に供給することを特徴とする。
【００１０】
前記本発明の作動過程を簡単に説明すると、先ず、冷凍空間を形成すべき室である冷凍庫より大気圧の空気を吸入し圧縮機により必要圧力まで昇圧する。圧縮機吐出側で空気及び／若しくは水冷却器（圧縮空気冷却器）により常温付近まで冷却する。冷熱回収熱交換器（除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器）で戻り低温空気と熱交換し、前記常温付近まで冷却した空気を更に中間温度まで冷却する。該圧縮空気を膨張機で大気圧近傍まで断熱膨張して例えば−７０℃以下の冷風を生成する。該冷風を直接冷蔵庫内へ供給する。冷蔵庫内の低温・高相対湿度空気を吸引して、除湿器（除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器）で低露点まで除湿する。冷熱回収熱交換器（除湿・冷熱回収一体型の熱交換・除湿器）で前記圧縮常温付近空気に冷熱を与えた後、圧縮機に導入する。
【００１１】
冷蔵庫内は例えば相対湿度８５％以上と高湿度のため、冷蔵庫内からの戻りライン中に除湿器を設置し、低露点温度まで除湿することが好ましい。冷凍装置の効率を向上させるために、圧縮機、膨張機に至る前に水分除去し、雪状氷生成凝固熱としてのロスなどを避けることが有効である。そして、これら除湿、冷熱回収機能を同一経路で果たすことの可能な一体型の部品（熱交換・除湿器）で行い、効率の向上と機器構成の単純化を図る。
【００１２】
更に、本発明の空気冷媒冷凍装置は、前記熱交換・除湿器に更に前記除湿・冷熱放出経路と伝熱面を介して伝熱可能な除湿器再生用加熱経路を備え、前記圧縮機吐出後の高温空気をバイパスさせて、該除湿器再生用加熱経路に導入し、前記除湿・冷熱放出経路を加熱することにより前記熱交換・除湿器を再生することを特徴とする。
【００１３】
即ち、本発明においては、除湿器除湿剤の再生手段をも、上記のように一体的に構成し、その熱源に圧縮機吐出ガス（６０℃から１００℃）を用い熱の有効利用を図り、効率向上の一端とする。
【００１４】
更に、本発明の空気冷媒冷凍装置は、前記熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路内に除湿剤として高吸放湿性高分子化合物を含むことを特徴とする。即ち本発明では、低温域で、吸湿容量が大きく、低露点まで吸湿可能で、且つ再生温度が低温廃熱、６０℃〜１００℃の範囲の低温度で放湿可能な高吸放湿性高分子化合物がよい。これにより、従来例のない、超低温、高湿度空気を低露点まで除湿できるシステムとすることができる。
【００１５】
このような高吸放湿性高分子化合物からなる吸湿剤を前記経路に充填するなどして、使用可能である。また、該吸湿剤は表面積を可及的に大きくするために多孔質体、若しくは多孔質粒子とするのもよい。また、高吸放湿性高分子化合物からなる若しくは含む吸湿機能のある高分子化合物をハネカム構造、コルゲート構造とするもの、繊維束若しくは細管束構造とするものなど、高表面積でありながら、低圧力損失であることが好ましい。
【００１６】
特に本発明の空気冷媒冷凍装置では、前記熱交換・除湿器の除湿・冷熱放出経路内の伝熱面が前記高吸放湿性高分子化合物で被覆されていることを特徴とする。本発明の高吸放湿性高分子化合物は前記伝熱面に薄く密着できるため、伝熱性を損なうことなく、除湿機能を付加できることが利点であり、更なる装置の縮小化に寄与する。更には、伝熱面自体を前記高吸放湿性高分子化合物の板で構成することも可能である。
【００１７】
また、本発明では、前記高吸放湿性高分子化合物を合成して単体で用いてよいが、他の熱可塑性樹脂や熱効果性樹脂に前記機能と有する高吸放湿性高分子化合物をブレンドしたり、それらに含浸したりして得えられた、成型物を利用することもできる。
【００１８】
本発明の空気冷媒冷凍装置に適する高吸放湿性高分子化合物は、既に工業的に生産されている、高分子電解質系の高吸放湿性高分子化合物を利用することができるが、特に分子中にカルボキシル基を含み、吸湿水の除去に要する再生温度が８０〜１００℃の範囲にある高吸放湿性高分子化合物が好ましい。更に、該カルボキシル基の水素イオンが全部或いは部分的に金属イオン若しくはアンモニア、アミンなどの塩基性イオンで置換された、塩型となっているのが好ましい。これにより、高分子鎖中のイオン性親水基の強固な水との水素結合能力や金属や塩基性イオンの浸透圧効果で低温状態の水分も凍結せず、系外の水（脱湿すべき空気中の水）をより多く高分子の網目中に取り込む。前記金属イオン元素は、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋなどのアルカリ金属、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａなどのアルカリ金属から適宜選択できる。また、アンモニア、アミンなどの塩基性についても特に限定する必要はない。
【００１９】
更に、前記高吸放湿性高分子化合物が架橋構造を有しており、非溶解性、形態保持性を備え、水分を多量に含んだときにも、安定なゲル構造を維持していることが好ましい。特に、ヒドラジン化合物による架橋構造が施され、難燃性を併せ備えることが好ましい。
【００２０】
本発明で用いる高吸放湿性高分子化合物は、従来既知の方法で合成可能で、特に限定的な方法ではない。例えば、アクリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸、イタコン酸などのカルボキシル其を有するビニル若しくはビリニデン系の単量体の重合、或いはこれら単量体の二種以上の共重合で得られる高分子化合物である。更に、前記単量体の少なくとも一種と前記以外の他の任意の共重合可能な単量体との共重合で得られる高分子化合物である。前記塩型にする方法は、前記単量体の塩型を用いて重合するか、重合物を前記金属の水酸化物若しくは前記アンモニア或いはアミンなどの塩基性物質で中和若しくはイオン交換すればよい。
【００２１】
また、単量体に加水分解や酸化などの化学変化によってカルボン酸に変性可能なペンダントグループを有する単量体の重合若しくは共重合で得られた、高分子化合物を、加水分解によって、カルボキシル基を導入することもできる。例えば、これらの単量体として、アクリロニトリル、メタアクリロニトリルなどのシアノ基を有する単量体、アクリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸などのエステル類、アクリル酸、メタアクリル酸、のアミド類などを挙げることができる。
【００２２】
架橋を導入する方法としては、多官能性単量体を共重合する方法、重合体に架橋を施してから化学変性を行う方法、カルボキシルキを導入した後で架橋を行うの方法等をあげることができるが、これらの方法に限らない。
【００２３】
なお、高吸放湿高分子化合物系に変えて従来使用されているシリカゲル、ゼオライトなど無機系の吸着剤を用いても、本空気冷媒冷凍装置は従来の冷凍機に比べ効率面で優位性を持つ。また、除湿器と冷熱回収熱交換器を一体型とせず、分離した場合でも、同様に本空気冷媒冷凍装置は従来の冷凍機に比べ効率面で優位性を持つ。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の効果は、以下のようにまとめることができる。
（１）空気冷媒冷凍機の極低温度域での効率性を生かし、更に除湿器と冷熱回収熱交換器と除湿器再生手段を一体化し効率向上と装置の単純縮小化を図ることができた。当然、地球環境保全及び安全対策強化となった。
（２）空気冷媒冷凍機により冷凍空間の空気を直接冷却することにより、従来熱交換器のデフロスト工程を排除し、エネルギロスを避けた。
（３）極低温で吸湿特性が優れ、低温で脱湿可能な高吸放湿性高分子化合物を吸湿剤として用いることなどにより、極低温域での冷凍庫としての実用化が可能となり、効率と小型化を更に向上した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２６】
図１は本発明の空気冷媒冷凍装置の一例のフロー図である。本図において、本発明の冷凍装置の構成及び動作を説明する。３は冷凍庫即ち冷凍空間を形成すべき室、運転中定常状態では冷凍空間を形成しており例えばマイナス７０℃、相対湿度８５％付近であるが、運転初期は常温付近、周囲環境湿度である。
【００２７】
１は熱交換・除湿器であって、高吸放湿性高分子化合物を含む除湿剤２を保有する除湿・冷熱放出経路９と冷熱吸収経路８と除湿器再生用加熱経路７とが一体的に組み込まれている。当該除湿・冷熱放出経路９を通過する空気と当該冷熱吸収経路８を通過する空気の間で伝熱面を介して熱交換可能に、且つ前記除湿・冷熱放出経路９を通過する空気が高吸放湿性高分子化合物を含む除湿剤２で除湿可能に構成されている。更に、前記除湿・冷熱放出経路９中の除湿剤を含む面に除湿器再生用加熱経路７を通過する空気の熱で伝熱面を介して加熱可能なように構成されている。
【００２８】
前記冷凍庫３の空気吸引口は前記熱交換・除湿器１の除湿・冷熱放出経路９の入り口に接続されている。除湿・冷熱放出経路９の出口は空気圧縮機４の吸引側に接続されている。また、その途中からは除湿器再生時排出ライン１２が分岐している。１４は冷却水１３で圧縮空気を冷却する圧縮空気冷却器で、前記圧縮機４の吐出側と圧縮空気冷却器１４空気入り口を接続し、該出口は前記熱交換・除湿器１の冷熱吸収経路８の入り口に接続する。圧縮機吐出側と圧縮空気冷却器１４空気入り口の間で、除湿器再生時使用ライン１０を分岐し、除湿器再生用加熱経路７入り口に接続し、除湿器再生用加熱経路７出口は、前記分岐点後流側で前記圧縮空気冷却器１４入り口前に戻入接続する。前記熱交換・除湿器１の冷熱吸収経路８出口は冷却運転時使用ライン１１を介して、膨張機５吸入側に接続する。膨張機５吐出側から冷凍庫冷風吹き出し口へと接続する。前記圧縮機４と膨張機５の回転軸はモータ６の駆動軸に同軸的に接続され、駆動するようにしているので、膨張機の回転エネルギを回収して圧縮機動力の電力節減となる。
【００２９】
本例の冷凍装置の定常状態における動作を次に説明する。前記冷凍庫３中のおよそ−６０℃以下、相対湿度８５％、大気圧の空気を吸引して前記熱交換・除湿器１の除湿・冷熱放出経路９に導く。ここで、空気中の水分が除湿剤２に吸着されるとともに、保有する冷熱を伝熱面を介して冷熱吸収経路８を通過する空気に与える。脱湿され温度の上昇した空気は、空気圧縮機４で必要圧力まで圧縮され、温度が更に上昇するので圧縮空気冷却器１４で水冷し常温付近まで冷却し、更に熱交換・除湿器１の冷熱吸収経路８で除湿・冷熱放出経路９を通過する冷風の冷熱を吸収させて更に降温し、膨張機５に導入する。膨張機５で大気圧近傍まで膨張させ−７０℃以下の冷風を得、直接冷凍庫内に供給し、庫内を冷凍空間に保つ。
【００３０】
除湿器の再生時には前記除湿器再生時使用ライン１０を使用し、分岐した６０℃〜１００℃の圧縮機吐出ガスを除湿器再生用加熱経路７に導入し熱交換・除湿器１中の除湿剤２を再生する。脱離水分は除湿器再生時排出ライン１２より排出する。
【００３１】
図２は空気冷媒冷凍装置が備える熱交換・除湿器１の一例の断面を示す略図である。図において金属板により熱交換・除湿器の空気経路区画隔壁が、伝熱促進フィンとともに形成され、伝熱面となっている。そして、図示のように除湿器再生用加熱経路と冷熱吸収経路を兼ねた区画経路（７ｏｒ８）と除湿・冷熱放出経路９の区画経路とが一体的に組み立てられている。除湿・冷熱放出経路９の伝熱面１５及びフィンには前記高吸放湿性高分子化合物を含む除湿剤２が被覆され、低圧力損失の除湿器となっている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、地球環境を保全し、エネルギ効率のよい冷凍システムとして、食品産業用のみならず各種産業に有効に利用可能な技術で、産業の発展に寄与すること大である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の空気冷媒冷凍装置の一例のフロー図である。
【図２】本発明の空気冷媒冷凍装置が備える熱交換・除湿器の一例の断面を示す略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  熱交換・除湿器    
２  高吸放湿性高分子化合物を含む除湿剤
３  冷凍庫（冷凍空間を形成すべき室）
４  空気圧縮機
５  膨張機
６  モータ
７  除湿器再生用加熱経路
８  冷熱吸収経路
９  除湿・冷熱放出経路
１０  除湿器再生時使用ライン
１１  冷却運転時使用ライン
１２  除湿器再生時排出ライン
１３  冷却水
１４  圧縮空気冷却器
１５  伝熱面
【図１】
2005265349.tif 000003
【図２】
2005265349.tif 000004